CN111220236A - 一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置 - Google Patents

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    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves

Abstract

本发明公开了一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，属于隧道施工领域，目的在于公开一种能够安全、可靠、准确检测气垫仓有害气体聚集时的液位高度防爆型检测装置，该防爆型液位检测装置由防爆压差式液位传感器、防爆式音叉液位传感器和防爆型压力传感器三部分组成，上述传感器采用压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封，隔绝因电气元件产生电火花造成的易燃易爆现象，根据实际气垫仓所需的液体高度H0，通过所述传感器采集的液位信号，不断调整气垫仓液体含量逼近H0，调整气垫仓内液体高度逼近H0，并输出最终的真实液位高度H。本发明解决了泥水盾构气垫仓有害气体聚集时的液位高度防爆检测问题，提高了安全性、准确性和可靠性。

Description

一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域。
背景技术
伴随着现代化建设的不断深入，我国城市化进程进入快速发展模式，城市地下空间的利用和开发正成为现代化建设和可持续发展的重中之重。盾构机工作时为维持压力平衡，需要检测气垫仓内液位高度，近年来越来越多的隧道施工需要穿越含有有害气体的地层，当掘进遇到这种地层时，开挖时微小气泡溶于泥浆，在进入气垫仓流向出浆口的过程中，部分气泡可能会在气垫仓内上升导致有害气体在气垫仓内聚集，对于气垫仓内液位高度检测的安全性和准确性要求更高。目前针对气垫仓内液位高度检测主要用以下传感器：(1)压力传感器、(2)绳式液位传感器、(3)点式液位传感器。
原有的绳式液位传感器和点式液位传感器属于接触式电容传感器，因被测液体的介电常数不稳定会引起一定误差，表面易污，易破损，造成读数困难。原有的压力传感器内部电路未作精确防爆设计，壳体未作防爆隔离处理。本发明的提出可对上述问题得到满意的解决，提高液位高度检测的有效性和准确性，消除在气垫仓电火花产生的可能，具有本安和隔爆双重防爆。
发明内容
为了弥补现有技术送料装置的缺陷，本发明提供一种能有效检测气垫仓内液位高度，同时消除在气垫仓内产生有害气体发生爆炸的可能性，相比传统液位检测装置更安全、精确、可靠的大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置。
一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，包括防爆压差传感器、防爆音叉传感器、防爆压力传感器和控制室，所述防爆音叉传感器设置在气垫仓仓壁上不同高度检测液位的高度区间，并且所述气垫仓仓壁上的上限检测位和下限检测位设置有所述防爆音叉传感器，所述防爆压力传感器设置在气垫仓仓壁或者仓底检测仓内压力，所述防爆压差传感器通过压力传输通路连接分别固定在气垫仓底部和顶部的压力测量元件，所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器和防爆压力传感器的信号输出端连接所述控制室的信号输入端。
进一步，所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器或防爆压力传感器为压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封。
进一步，所述防爆压差传感器得到气垫仓底部压力和大气压力的压差ΔP，由压差得到液位高度。
进一步，所述的防爆音叉传感器，通过振动叉和气垫仓内液体的共振频率变化输出开关信号，相邻两防爆音叉传感器输出相反开关信号时，两防爆音叉传感器中间的高度区间即为液位区间所处的区间。
进一步，由N个防爆音叉传感器将气垫仓高度分为N+1个高度区间[Ni,Ni+1]。
进一步，所述防爆压差传感器设置有多组，通过压力传输通路连接多组分别固定在气垫仓底部和顶部的压力测量元件。
其检测步骤为：a,根据实际工况，预设气垫仓所需的液体高度H0；b,由防爆音叉传感器检测实际液位高度区间，得到[H低,H高]，判断预设高度H0∈[H低,H高]是否成立；c,当
Figure BDA0002361691550000021
调整气垫仓液体含量，直到H0∈[H低,H高]成立；d,当H0∈[H低,H高]成立，则继续判断H0＝H±μ是否成立，0≤μ≤δ，δ为工程标准误差，包括测量误差和控制误差，若H0＝H±μ成立，输出实际高度H；若H0＝H±μ不成立，调节气垫仓液体含量的升降，重复操作，直到H0＝H±μ，输出此时测得液位高度H。
进一步，所述压力测量元件分别安装在气垫仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力，通过压力传输通路的采集电路将所得液体压力引入所述防爆压差传感器正压腔，大气压力引入所述防爆压差传感器负压腔，所得压力差ΔP，通过ΔP＝ρ*g*H1，可以得到实时变化的液位高度H，通过安装多个所述防爆压差传感器，取液位高度平均值H1。
进一步，所述防爆压力传感器，安装于气垫仓侧壁，基于所测液体对气垫仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H。
本发明的有益效果是：(1)提高安全度：现有的检测装置不具备防爆特性，本发明的检测装置大大降低电气设备发生电火花的可能性，防止了有害气体聚集引发危险程度较高的安全事故。
(2)提高可行性：本发明装置依据实际所需的液位高度H0，本质上是先通过防爆音叉传感器得到液位区间，调整实际液位高度使其逼近H0所在高度区间，再由准确得到的实际高度H，调整液位高度H逼近H0，最后输出实际高度H，在操作上比现在所用的检测装置更简单易行。
(3)提高准确性：本发明装置所得的液位高度H是通过多种传感器配合所测得液位高度，所得的液位高度更为准确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明防爆音叉传感器的安装结构示意图。
图中：Ⅰ-防爆压差传感器，Ⅱ-防爆音叉传感器，Ⅲ-防爆压力传感器，1-气垫仓，2-压力测量元件，3压力传输通路，4-数字通讯电路，5-控制室，6-振动叉，7-气垫仓仓壁，8-安装管座。。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
本发明涉及一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，下面对本发明的优选实施例作进一步详细说明。
如图1所示，一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，包括防爆压差传感器、防爆音叉传感器、防爆压力传感器和控制室，所述防爆音叉传感器设置在气垫仓仓壁上不同高度检测液位的高度区间，并且所述气垫仓仓壁上的上限检测位和下限检测位设置有所述防爆音叉传感器，所述防爆压力传感器设置在气垫仓仓壁或者仓底检测仓内压力，所述防爆压差传感器通过压力传输通路连接分别固定在气垫仓底部和顶部的压力测量元件，所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器和防爆压力传感器的信号输出端连接所述控制室的信号输入端。
所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器、防爆压力传感器采用压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封，隔绝因电气元件产生电火花造成的易燃易爆现象。
防爆压差传感器得到气垫仓底部压力和大气压力的压差ΔP，由压差得到液位高度；防爆音叉传感器，本身仅产生开关量输出，通过在气垫仓仓壁上不同高度安装防爆音叉传感器，输出液位的高度区间，同时在上限和下限检测位安装，具有防溢报警和低液位警报作用；防爆型压力传感器，基于所测液体对气垫仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H。
所述的防爆音叉传感器，通过振动叉和气垫仓内液体的共振频率变化输出开关信号，防爆音叉传感器通过安装管座安装在气垫仓仓壁上，振动叉安装在气垫仓内部，将N个防爆音叉传感器均匀安装在气垫仓不同高度，由N个防爆音叉传感器将气垫仓高度分为N+1高度区间[Ni,Ni+1]，N根据气垫仓高度改变，安装在下限位和上限位的防爆音叉传感器，在气垫仓内液位高于上限位时，输出防溢警报信号，液位低于下限位，输出低液位警报信号。相邻两防爆音叉传感器输出相反开关信号时，该高度间即为液位区间所处的区间[H低,H高]。所述的防爆压差传感器，压力测量元件分别安装在气垫仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力，通过采集电路将所得液体压力引入传感器正压腔，大气压力引入负压腔，所得压力差ΔP，ΔP＝ρ*g*H1，由于另外两个参数ρ-液体或者流体的密度、g-重力加速度，均为确定的常数，可以得到实时变化的液位高度H，通过安装多个防爆压差传感器，取液位高度平均值H1；所述防爆压力传感器，安装于气垫仓侧壁，基于所测液体对气垫仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H。
所述传感器组合的工作方式：根据实际工况，预设气垫仓所需的液体高度H0，由防爆音叉传感器得到[H低,H高]，直接得到相邻两个防爆音叉传感器两个高度参数，两个高度参数形成一个数值范围，判断预设高度H0∈[H低,H高]是否成立，即液体高度H0是否在[H低,H高]数值范围内；当
Figure BDA0002361691550000051
即液体高度H0不在[H低,H高]范围内，调整气垫仓液体含量，直到H0∈[H低,H高]成立，即液体高度H0在[H低,H高]数值范围内；H0∈[H低,H高]成立，则继续判断H0＝H是否成立，该公式H0＝H意思是预设液体高度H0和液位高度H两者近似相等或接近，该两个参数工程上不需要严格相等，实际上在工程上由于测量误差和测量精度影响，也不可能绝对相等，在此为了描述方便示意清晰，故以“＝”标识，当H0＝H，输出实际高度H；当H0≠H，即H0＝H不成立时，调节气垫仓液体含量的升降，重复操作，直到H0＝H，输出此时测得液位高度H。优选的，预设液体高度H0和液位高度H之间有误差参数μ，0≤μ≤δ，δ为工程标准误差，当H0＝H±μ，0≤μ≤δ，δ为工程标准误差时，均视为H0＝H成立。
气垫仓防爆型液位检测组合装置工作原理：根据实际工况，预设气垫仓所需的液体高度H0。N个防爆音叉传感器(Ⅱ)将气垫仓高度分为N+1高度区间[Ni,Ni+1]，安装在下限位和上限位的防爆音叉传感器，在上限位吸合时，输出防溢警报信号，在下限位未吸合时，输出低液位警报信号。相邻两防爆音叉传感器输出相反开关信号时，该高度间即为液位区间所处的区间；防爆压差传感器，得到液体压力和大气压力，压力差，由两个(或多个)防爆压差传感器(Ⅰ)，取液位高度平均值H1；防爆压力传感器(Ⅲ)，安装于气垫仓侧壁，基于所测液体对气垫仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H；判断预设高度H0∈[H低,H高]是否成立，当
Figure BDA0002361691550000052
调整气垫仓液体含量，直到成立；H0∈[H低,H高]成立，则继续判断H0＝H，(注：同上，工程上不需要严格相等)，是否成立，H0＝H，输出实际高度H；H0≠H，调节气垫仓液体含量的升降，重复操作，直到H0＝H，(注：同上，工程上不需要严格相等)，输出此时测得液位高度H。
参见图2，气垫仓防爆型液位检测组合装置布置方式为：将6个，数量根据实际高度确定，防爆音叉传感器(Ⅱ)均匀安装在气垫仓侧壁，振动叉安装在气垫仓内；将防爆压差传感器(Ⅰ)的压力测量元件分别安装在气垫仓顶部和底部，采集的大气压力和底部液体压力通过压力传输通路(3)传入防爆压差传感器(Ⅰ)，安装两个防爆压差传感器在相近的位置；防爆压力传感器(Ⅲ)安装在气垫仓侧壁，安装于气垫仓上部，优选位于主驱动下。所述传感器的输出电流通过数字通讯电路(4)传入控制室(5)。
参见图3，优选的，防爆音叉传感器(Ⅱ)通过安装管座(8)安装在气垫仓仓壁(7)上，安装管座通过密封管螺纹和防爆音叉传感器连接，振动叉(6)安装在气垫仓内，进一步，所述振动叉包括不锈钢壳体和固定在不锈钢壳体内的叉体，所述不锈钢壳体内部真空设置，为了检测的灵敏性，所述叉体的自由端为质量更大的膨胀体，所述膨胀体前端设置有通孔，从而形成更灵敏的共振，所述叉体的连接端为质量小半径更细的连接条，所述不锈钢壳体内部形成一个容纳叉体的密闭腔体，所述不锈钢壳体和叉体的固定端连接设置在气垫仓仓外的传感器主体，所述安装管座包括与所述气垫仓仓壁密封配合的橡胶垫层。所述防爆音叉传感器与所述密封管螺纹配合的部分为外缘呈圆锥台形状的圆锥台结构，当螺母紧固时，圆锥台结构挤入密封管螺纹中，从而实现更紧密的连接和自锁固定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：包括防爆压差传感器、防爆音叉传感器、防爆压力传感器和控制室，所述防爆音叉传感器设置在气垫仓仓壁上不同高度检测液位的高度区间，并且所述气垫仓仓壁上的上限检测位和下限检测位设置有所述防爆音叉传感器，所述防爆压力传感器设置在气垫仓仓壁或者仓底检测仓内压力，所述防爆压差传感器通过压力传输通路连接分别固定在气垫仓底部和顶部的压力测量元件，所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器和防爆压力传感器的信号输出端连接所述控制室的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述防爆压差传感器、防爆音叉传感器或防爆压力传感器为压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封。
3.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述防爆压差传感器得到气垫仓底部压力和大气压力的压差ΔP，由压差得到液位高度。
4.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述的防爆音叉传感器，通过振动叉和气垫仓内液体的共振频率变化输出开关信号，相邻两防爆音叉传感器输出相反开关信号时，两防爆音叉传感器中间的高度区间即为液位区间所处的区间。
5.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：由N个防爆音叉传感器将气垫仓高度分为N+1个高度区间[Ni,Ni+1]。
6.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述防爆压差传感器设置有多组，通过压力传输通路连接多组分别固定在气垫仓底部和顶部的压力测量元件。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于，其检测步骤为：a,根据实际工况，预设气垫仓所需的液体高度H0；b,由防爆音叉传感器检测实际液位高度区间，得到[H低,H高]，判断预设高度H0∈[H低,H高]是否成立；
c,当
Figure FDA0002361691540000011
调整气垫仓液体含量，直到H0∈[H低,H高]成立；
d,当H0∈[H低,H高]成立，则继续判断H0＝H±μ是否成立，0≤μ≤δ，δ为工程标准误差，若H0＝H±μ成立，输出实际高度H；若H0＝H±μ不成立，调节气垫仓液体含量的升降，重复操作，直到H0＝H±μ，输出此时测得液位高度H。
8.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述压力测量元件分别安装在气垫仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力，通过压力传输通路的采集电路将所得液体压力引入所述防爆压差传感器正压腔，大气压力引入所述防爆压差传感器负压腔，所得压力差ΔP，通过ΔP＝ρ*g*H1，可以得到实时变化的液位高度H，通过安装多个所述防爆压差传感器，取液位高度平均值H1。
9.根据权利要求8所述的一种大直径泥水盾构机的气垫仓防爆型液位检测装置，其特征在于：所述防爆压力传感器，安装于气垫仓侧壁，基于所测液体对气垫仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H。
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